Международная команда ученых продемонстрировала необычное квантовое состояние, в котором свет и материя одновременно проявляют свойства твердого тела и сверхтекучей жидкости. Эксперимент особенно примечателен тем, что исследователям удалось получить такую систему при комнатной температуре — без охлаждения почти до абсолютного нуля, необходимого для большинства подобных опытов. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Речь идет о сверхтвердом состоянии (supersolid). Оно сочетает два свойства, которые в привычном представлении кажутся несовместимыми: упорядоченную структуру кристалла и способность течь без вязкости, характерную для сверхтекучей жидкости.

В эксперименте участвовали исследователи физического факультета Варшавского университета, Военно-технического университета в Польше, IBM Research Zurich и французского Национального центра научных исследований (CNRS). Вместо ультрахолодных атомов они использовали гибридные частицы, сочетающие свойства света и вещества.

Как материя может быть одновременно твердой и текучей

В обычных условиях твердые тела и жидкости ведут себя совершенно по-разному. В кристаллах частицы располагаются в упорядоченной повторяющейся структуре, тогда как жидкость способна свободно течь и менять форму.

Квантовая физика допускает более необычные состояния. Одно из них — сверхтекучесть, при которой жидкость теряет вязкость, то есть внутреннее сопротивление движению. Такая среда может проходить через чрезвычайно узкие каналы практически без трения. Однако при достижении определенной скорости в ней начинают возникать квантовые вихри — микроскопические структуры, напоминающие водовороты.

Еще в 1960-х годах физики предположили, что сверхтекучая среда может приобрести и другое необычное свойство — кристаллический порядок. Такое сочетание получило название сверхтвердости.

Долгое время сверхтвердое состояние оставалось теоретической концепцией. Первые экспериментальные подтверждения появились в 2017 году, когда исследователи наблюдали его в ультрахолодных атомных конденсатах Бозе — Эйнштейна. В таких системах частицы переходят в коллективное квантовое состояние и начинают вести себя как единое целое.

Главная сложность заключалась в том, что для получения необходимых условий вещество приходилось охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю. Новая работа предлагает альтернативный подход.

Вместо ультрахолодных атомов — частицы света и материи

Исследователи международного консорциума TopoLight использовали экситон-поляритоны — квазичастицы, возникающие при сильном взаимодействии света с веществом.

Для их создания ученые поместили специальные материалы в оптический микрорезонатор — миниатюрную камеру, в которой свет взаимодействует с веществом. В результате формируются гибридные частицы, обладающие свойствами и фотонов, и материальных возбуждений.

Экситон-поляритоны существуют чрезвычайно недолго — обычно всего несколько пикосекунд, то есть триллионных долей секунды. Но даже за это время они способны образовывать конденсат Бозе — Эйнштейна и демонстрировать коллективное квантовое поведение, в том числе сверхтекучесть.

Для эксперимента команда создала микрорезонатор с особым жидким кристаллом и покрыла его органическим полупроводником. Такая конструкция обеспечила достаточно сильное взаимодействие света и вещества, чтобы получить необходимое квантовое состояние без экстремального охлаждения.

По словам профессора Войцеха Пецка из Военно-технического университета, разработанные его группой жидкокристаллические микрорезонаторы способны работать даже при температуре около 60 °C. Это существенно расширяет условия, в которых можно исследовать необычные квантовые явления.

Световые узоры выдали сверхтвердое состояние

О возникновении сверхтвердости ученые судили по свету, испускаемому экспериментальной системой.

Когда конденсат переходил в новое состояние, на изображении появлялись регулярно расположенные яркие полосы. Они указывали на то, что плотность частиц в системе приобрела периодическую структуру — характерный признак кристаллического порядка.

Но исследователи заметили и другую особенность: после каждого лазерного импульса полосы возникали в разных местах. Система не выбирала единственную фиксированную конфигурацию, а каждый раз останавливалась на одном из нескольких равноправных вариантов.

Это явление называется спонтанным нарушением симметрии. Исходная система допускает несколько эквивалентных состояний, но в процессе формирования нового порядка самостоятельно выбирает одно из них. Профессор Гийом Мальпеш из Института Паскаля CNRS отметил, что именно такое поведение и предсказывала теория сверхтвердости.

Кроме того, в эксперименте обнаружили так называемую устойчивую спиновую спираль — периодическое изменение поляризации испускаемого света. Поляризация определяет ориентацию колебаний электрического поля световой волны.

Таким образом, ученые зафиксировали сразу два вида упорядоченности: один проявлялся в интенсивности света, другой — в его поляризации. Вместе эти наблюдения стали свидетельством возникновения сверхтвердого состояния.

Почему на измерения были отведены всего несколько часов

Эксперимент оказался сложным не только с научной, но и с практической точки зрения. Органический полупроводник, использованный в устройстве, постепенно вступал в реакцию с жидким кристаллом. Из-за этого готовые образцы сохраняли рабочие свойства лишь ограниченное время.

После сборки у исследователей оставалось всего несколько часов, чтобы провести необходимые измерения. Поэтому последовательность экспериментов приходилось планировать заранее: повторить отдельное измерение означало изготовить новый образец.

Основные измерения проводились в IBM Research Zurich. Там на специально созданные фотонные структуры наносили тонкие слои органического полупроводника. Сами структуры, предназначенные для управления светом, изготовили специалисты Военно-технического университета.

Материал MeLPPP — органический полупроводник, свойства которого ученые IBM изучали уже много лет. Ранее исследователи даже наблюдали в нем конденсацию Бозе — Эйнштейна, однако сочетать его с жидкокристаллическим микрорезонатором удалось впервые.

Именно объединение этих материалов позволило получить сверхтвердое состояние при обычных для лабораторного эксперимента температурах.

Зачем нужна квантовая материя, работающая без охлаждения

Практическое значение открытия связано прежде всего с тем, что многие экзотические квантовые состояния до сих пор удавалось исследовать только с помощью сложных криогенных установок. Они требуют поддержания температур, близких к абсолютному нулю, что увеличивает стоимость и сложность экспериментов.

Новая система показывает, что некоторые квантовые эффекты можно изучать в фотонных устройствах, работающих при гораздо более доступных температурах. Это потенциально открывает дорогу к технологиям, использующим свет для обработки информации.

Среди возможных направлений — сверхбыстрые фотонные устройства, вычислительные ускорители и нейроморфные системы, которые воспроизводят отдельные принципы обработки информации человеческим мозгом. Такие подходы могут помочь эффективнее выполнять определенные вычислительные задачи.

Еще одна потенциальная область применения — оптические сенсоры. Обнаруженная чувствительность системы к поляризации света может оказаться полезной при создании приборов, способных фиксировать очень небольшие изменения оптических сигналов.

Пока все эти применения остаются перспективами дальнейших исследований, а не готовыми технологиями.

Квантовым состоянием можно управлять с помощью электричества

У экспериментальной платформы есть еще одна важная особенность: ее оптические свойства можно изменять с помощью внешнего напряжения. По утверждению исследователей, это первая платформа для изучения сверхтвердых экситон-поляритонных конденсатов, допускающая электрическую настройку.

Такая возможность позволяет менять параметры системы и наблюдать, как квантовое состояние возникает, взаимодействует с окружающей средой и реагирует на внешние воздействия. В перспективе это может оказаться важным для создания фотонных устройств, в которых требуется точно управлять поведением света и материи.

Главный результат работы — не готовый квантовый компьютер или новый тип сенсора, а экспериментальная платформа, позволяющая исследовать необычные состояния материи без экстремального охлаждения. Сочетание комнатной температуры и электрического управления делает ее более гибким инструментом для изучения квантовой физики и потенциально приближает некоторые лабораторные эффекты к практическому применению.